Институт Зелёной химии. Чем занимается единственный в России НИИ удобрений

Чего не хватает растениям? Юстус Либих и первая «команда» НИУИФ

Практическое применение удобрений в земледелии имеет древнюю историю — в стародавние времена почву подкармливали навозом, золой или компостом. Однако такое удобрение было недостаточным, и в сельском хозяйстве начали применять известкование — вносили песчаный или глинистый мергель, которым почва быстро пресыщалась.

Впервые о минеральных удобрениях заговорили в 1825 году, когда в Гамбург начали прибывать торговые корабли с естественным минеральным удобрением — чилийской селитрой. Но первая теория минеральных удобрений появилась только в XIX веке, благодаря исследованиям немецкого учёного Юстуса фон Либиха, которого принято считать одним из основателей агрохимии.

Применив теоретические знания в органической химии к реальным проблемам доступности продовольствия и критически переосмыслив существовавшие теории питания растений, Либих сформулировал идеи минеральной теории растительного питания, основанной на убеждении в том, что неорганические вещества могут обеспечивать растения питанием так же эффективно, как и органические источники. Он развил теорию «Теорему минимума» Карла Шпренгеля (известную как Закон минимума, или закон ограничивающего (лимитирующего) фактора), заявив, что рост растений определяется не всеми доступными ресурсами, а ограниченным ресурсом, нуждающимся в постоянном восполнении. Это можно сделать, добавляя в почву искусственные минеральные удобрения. Исследования Либиха дали толчок бурному развитию агрохимии, а впоследствии и появлению отдельной отрасли промышленности — производства минеральных удобрений.

В России у истоков создания науки о минеральных удобрениях тоже стояли поистине выдающиеся учёные. Такие, например, как выдающийся минералог академик Александр Ферсман — его экспедиции открыли Хибинские месторождения апатита, который сегодня является сырьём для производства фосфорных удобрений.

Но эти удобрения нужно было ещё создать — эту задачу призвана была решить «команда» исследователей, стоявших у истоков НИУИФ: профессор Яков Самойлов (тот самый, чьё имя сегодня носит институт), академик Эргард Брицке, академик Дмитрий Прянишников, академик Семён Вольфкович...

«Всё очень просто, — рассказывает начальник Комплексного отдела НИУИФ Евгений Торочков. — Вам надо создать продукт, чтобы обеспечить продовольственную безопасность страны, — минеральные удобрения. Для этого нужно достать из земли руду, обогатить её, получить продукт и придумать, как его применять. Так собрались вместе три ключевых человека: Яков Самойлов, отвечающий за геологию и руду, Эргард Брицке, занимающийся вопросами переработки и производства, и основоположник советской научной школы в агрономической химии Дмитрий Прянишников».

С тех пор и до сегодняшнего дня институт занимается вопросами, связанными с производством и использованием минеральных удобрений, методами обогащения и переработки сырья, применением удобрений в сельском хозяйстве, разрабатывает способы получения серной кислоты, экстракционной фосфорной кислоты, фосфорсодержащих удобрений и кормовых фосфатов, исследует эффективность применения удобрений.

«В 30-е годы прошлого века наш институт совмещал в себе все направления науки об удобрениях, — говорит Торочков. — Потом из некоторых отделов выросли отдельные институты. Они стали „грызть“ свои части гранита науки. А НИУИФ развивался в направлении технологий фосфоросодержащих удобрений».

Удобрения: от вала — к качеству и чистоте

Институт развивался вместе с отраслью минеральных удобрений, решая методами прикладной науки наиболее актуальные задачи. Сначала, рассказывает Евгений Торочков, это была задача догнать развитые страны, потом — перестроить производство в соответствии с требованием времени. Например, в 1980-х годах потребовался переход на более концентрированные удобрения, с большим содержанием питательных веществ на тонну продукта. В СССР тоже перешли на моноамонийфосфат, на двойной суперфосфат, и высококонцентрированные сложные удобрения. Сегодня производств, которые ранее активно эксплуатировались, в мире осталось очень мало. Но всё-таки они остались, что подчёркивает разницу в развитии и возможностях разных стран.

«В 2013 году, во Вьетнаме, — рассказывает собеседник Самолёта, — я видел действующие производства, которые у нас закрыли больше 40 лет назад».

Со временем менялись и другие приоритеты: например, сегодня уже никто не меряется валовыми показателями тотальной химизации сельского хозяйства в центнерах удобрений на гектар пашни. На повестке дня — эффективность использования сельскохозяйственной химии и минимизация негативного влияния на экологию.

«Какая-то часть удобрений захватывается растениями, а что-то вымывается водой и затем может попадать в водоёмы и даже в грунтовые воды, — рассказывает Евгений Торочков. — Поэтому сейчас уже никто не хвастается тем, что мы, мол, применяем удобрений больше всех в мире. Наоборот, все хотят вносить как можно меньше удобрений, но делать это эффективно. Появились различные марки с пролонгированным сроком действия, которые растворяются не сразу, а постепенно, и растения забирают их порциями. Разрабатываются и специальные биодобавки, которые позволяют растениям более эффективно усваивать удобрения. Это всё — основные, перспективные направления для развития технологий производства и применения удобрений».

Ежедневно в мире производятся миллионы тонн удобрений. Они примерно одинаковы по химическому составу. А уникальность, которая является одной из основ конкурентоспособности, связана с особенностями сырья и технологиями производства. Один из наглядных примеров — барабанный гранулятор-сушилка, — промышленная установка, которую учёные и технологи НИУИФ довели практически до совершенства. Аппарат совмещает в себе сразу два процесса — гранулирование и сушку удобрений. Это позволяет существенно снизить стоимость строительства: всё ведь в одном аппарате. В портфеле НИУИФ сегодня более 70 подобных патентов по различным технологиям переработки фосфатов и производства удобрений.

«Трудный хлеб» НИУИФ

В состав научной части института входит достаточно большое число отделов и лабораторий, каждое подразделение решает свою часть общей задачи.

Например, отдел фосфорной кислоты сосредоточен на технологии получения этого сырья для производства фосфорных удобрений. Причём, не только из апатита, но из фосфоритов.

«Мы получаем кислоту здесь в лаборатории на специальной установке, имитируя производственный процесс, — рассказывает научный сотрудник НИУИФ, недавняя выпускница Ивановского химико-технологического института Юлия Кульпина. — Тестируем разное сырьё в разных режимах».

В отделе технологии удобрений и абсорбции работает почти в два раза больше научных сотрудников, чем в подразделении, занимающемся фосфорной кислотой, но и спектр задач существенно шире. Это разработка технологий получения фосфоросодержащих удобрений, кормовых фосфатов и абсорбции — технологий утилизации отходящих газов, которые образуются в производстве удобрений и фосфорной кислоты.

По словам молодого руководителя, выпускника Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева Дениса Пагалешкина, основной «хлеб» отдела — разработка исходных данных для проектирования или даже базовых проектов производств удобрений. Это основополагающие документы для начала проектирования новых, либо реконструкции существующих производств.

Второе направление — собственно исследования: свойств перерабатываемых пульп, суспензий, готовых продуктов. Определения их физико-химических, физико-механических, термических свойств готовых продуктов и влияния на эти свойства тех или иных добавок.

Наконец, третий важнейший блок вопросов и задач отдела связан с работой на действующих производствах. «Если это новое или реконструируемое производство, мы обязательно участвуем в его пуске, освоении технологических показателей: производительности, коэффициента выхода, — рассказывает Пагалешкин. — Зачастую от нас требуется помощь в освоении выпуска новых марок удобрений».

Несмотря на то, что основными заказчиками для отдела являются предприятия группы «ФосАгро» (в которую входит и сам НИУИФ), подразделение сотрудничает и с другими компаниями, в том числе из стран СНГ, а также компаниями из числа конкурентов ФосАгро. Резон здесь простой: есть понимание, что, если конкуренты не придут в НИУИФ, они придут к кому-то другому. Соответственно ни у института, ни у группы компаний не будет ни нового опыта, ни дополнительного дохода...

Но самое интересное, конечно же, связано с материнской компанией. Дмитрий с удовольствием рассказывает о последнем удачном проекте, реализованном на одной из технологических схем действующего производства минеральных удобрений ФосАгро. Пилотный для России проект, использующий самый современный мировой опыт, по словам начальника отдела, себя уже оправдал: по некоторым маркам удобрений производительность выросла на 15%, улучшилось качество. Есть решение руководства — распространить технологию на другие производства холдинга.

Естественно, занимаются в отделе и перспективными задачами. К примеру, — разработкой технологий и созданием производств водорастворимых удобрений. Считается, что это — будущее агрохимии и агрономии. В отличии от классических удобрений, растворимые выпускаются не в гранулах, а в кристаллической форме, и полностью растворяются в воде. Эта особенность позволяет применять удобрения прямо во время полива, что повышает их эффективность. Два года отдел, возглавляемый Денисом Пагалешкиным, посвятил разработке основ технологии выпуска водорастворимого моноаммонийфосфата. Строительство такого производства в ближайшее время должно начаться на площадке ФосАгро в Волхове.

Впрочем, не забывают в НИУИФ и о повышении эффективности классических удобрений. Агротехническая практика показывает, что их потери могут составлять до 50%, поскольку часть удобрений вымывается из почвы, часть — соединяется в неусвояемые растениями комплексы. В институте рассматривают разные варианты решения проблем: от нанесения на гранулы специальных плёнок, способствующих их постепенному растворению, до использования в производстве биодобавок — микроорганизмов, которые способствуют улучшению питания растений.

«Паспортный стол» для удобрений

Это определение для своего отдела качества и стандартизации придумал его начальник — Валерий Соколов. И метафора получилась довольно точной. Для того, чтобы удобрение можно было применять на территории России, ему нужно пройти госрегистрацию — получить «паспорт». В нём указывается много характеристик. Для начала технологи описывают регламент производства, потом определяются требования к качеству готового продукта и методики определения качественных показателей.

«Разработка методик завершает процесс формирования «паспорта» удобрения. Требования к качеству удобрений прописывают в технических условиях.

Например, размер гранул и их прочность. «Нельзя, чтобы они были мелкие или крупные, нельзя, чтобы слёживались, чтобы разрушались во время хранения и транспортировки, — поясняет начальник отдела. — Сегодня мы гарантируем химический состав удобрений. А вот слёживаемость и пылимость — это бич, с которым мы боремся».

Практически 80% своей продукции ФосАгро — главный заказчик института — отправляет за рубеж. Часто это путь в Юго-Восточную Азию с 3-4 перегрузками в портах, где высокая температура воздуха и его относительная влажность часто достигают 100%. Сотрудники отдела для оценки прогноза качества удобрений в лабораторных условиях моделируют такие же условия: нагрузку, температуру и влажность.

«Если в итоге получается вот такой брикетик, — Соколов показывает плотный столбик слежавшихся гранул, — то технология производства должна быть усовершенствована. Удобрение должно быть рассыпчатым — каждая гранула отдельно».

В одной из лабораторий Соколов показывает гордость отдела — электронный микроскоп и его хозяйку — кандидата технических наук Инну Кочетову. Инна со своим чудо-прибором разбирается в том, что происходит внутри уже готовой гранулы удобрения. Всё потому, что гранулы продолжают жить и после того, как их произвели — компоненты могут взаимодействовать между собой, и иногда это не очень хорошо сказывается на качестве.

Диссертация Кочетовой, основанная на результатах её исследований, так и называется: «Влияние структуры гранул сложных удобрений на их потребительские свойства».

«Инна — человек, который заглядывает в историю, чтобы исправить будущее. Потом полученные данные становятся основой поправок в технологию, позволяя создать более прочные или долговечные гранулы, которые «живут» минимум шесть месяцев, а лучше год — идеальный срок для потребителей, которые любят запасаться удобрениями впрок.

«Всё-таки хорошо, что мы оказались на Череповецкой площадке — в эпицентре нагрузок. Да, нам стало сложнее, потому что постоянно приходится отвлекаться на какие-то сиюминутные задачи, но и отдача быстрее: уже через два-три часа, через сутки мы можем сказать, почему это произошло так, а не иначе. И тут же можно внести коррективы в технологию. Тем более, некоторые образцы просто невозможно довезти до Москвы», — рассказывает Соколов о состоявшемся переезде НИУИФ из Москвы в Череповец.

Преимущества решения, приблизившего науку к производству, очевидны. Но, естественно, были и издержки, в частности, кадровые потери, которые институт восполняет до сих пор. О том, как это происходит Валерий Соколов показывает на примере своего, пожалуй, самого большого отдела научной части института.

40% отдела — пенсионеры, рассказывает Соколов, 60% — молодёжь от 22 до 30 лет. И нет сотрудников самого продуктивного среднего возраста. Этот кадровый голод мы сейчас стараемся как можно быстрее ликвидировать. «Схема достаточно проста, — говорит собеседник Самолёта, — я уже третий год преподаю в Череповецком государственном университете на кафедре химической технологии. По договорённости с вузом беру только 4 курс — выпускной в бакалавриате. И каждый год оттуда мы выбираем самых способных. Например, Евгений Рыбин работает практически со второго курса, как только он проявил себя в учебном процессе. Я им доволен. Кроме того, помогли кафедре с организацией аспирантуры, где пытаемся вести и научную работу, и руководство аспирантами. Мы постепенно переходим на собственные местные кадры».

Этими кадрами сейчас постепенно обрастает костяк, сохранённый опытным управленцем Валерием Соколовым, — который до прихода в НИУИФ прошёл путь от начальника смены до директора химического предприятия в подмосковном Воскресенске.

Несмотря на тесную связь с ФосАгро, институт остаётся ключевым для всей отечественной отрасли минеральных удобрений научно-внедренческим центром.

Это в очередной раз подтвердил в декабре 2018 года генеральный директор ПАО «ФосАгро» Андрей Гурьев, подписывая пятилетнее соглашение с Российской академией наук. Укрепление существовавшего сотрудничества с академией, уверен Гурьев, позволит компании развить её собственный Центр инноваций, ядром которого станет научно-исследовательский институт по удобрениям и агрохимикатам — НИУИФ им. проф. Я.В. Самойлова.

«Стараемся не отставать от мировой науки, — говорит на прощание Валерий Соколов, — а где-то даже быть немного впереди её „паровоза“. Иногда даже бежать приходится».

Юрий Антушевич
СамолётЪ